ВЛИЯНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ НА КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Федянин В.В.

ORCID: 0000-0003-3126-9865, аспирант,

Омский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ НА КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Аннотация

В настоящей работе рассмотрен вопрос влияния преобразователя частоты на эффективность работы асинхронного двигателя. Проведены натурные эксперименты и в пакете MATLAB приложении Simulink разработана имитационная модель, которая позволяет оценивать потребленную и полезную мощность, cosφ, т. е. энергетическую эффективность асинхронного электропривода с синусоидальным напряжением и напряжением, сформированным с помощью широтно-импульсной модуляции. По результатам исследования установлено, что эффективность асинхронного двигателя подключенного к преобразователю частоты снижается на 3-7% в отличие от  питания чистым синусоидальным напряжением.

Ключевые слова: частотно-регулируемый электропривод, преобразователь частоты, эффективность асинхронного двигателя, хаотическая широтно-импульсная модуляция.

Fedyanin V.V.

ORCID: 0000-0003-3126-9865, Postgraduate Student,

Omsk State Technical University

IMPACT OF THE FREQUENCY CONVERTER ON THE EFFICIENCY FACTOR OF THE INDUCTION MOTOR

Abstract

In this paper, we consider the question of frequency converter impact on the efficiency of an induction motor. We conducted full-scale experiments in the MATLAB and Simulink. We developed a simulation model that allows estimating consumed and useful power, cosφ, i.e., energy efficiency of an induction electric drive with sinusoidal voltage and voltage generated by pulse width modulation. According to the results of the study, it is established that the efficiency of an induction motor connected to the frequency converter is reduced by 3-7%, in contrast to the supply by pure sinusoidal voltage.

Keywords: frequency-controlled electric drive, frequency converter, induction motor efficiency, chaotic pulse width modulation.

Введение

Асинхронный двигатель (АД) имеет широкое применение в качестве электрических машин. Около половины электроэнергии, производимой в развитой стране, в конечном итоге потребляется электрическими двигателями, из которых более 90% являются АД. В течение относительно длительного периода времени АД в основном применялись для общего назначения в системах с постоянной скоростью вращения ротора. Тем не менее, быстрое развитие мощных электронных устройств и преобразовательных технологий за последние несколько десятилетий позволило обеспечить эффективное регулирование скорости путем изменения частоты, что привело к появлению частотно-регулируемых асинхронных двигателей.  Применение преобразователей частоты (ПЧ) в паре с АД обладает  преимуществами по сравнению с другими решениями по регулированию скорости [1]. К основным преимуществам частотно-регулируемого электропривода относятся:

– плавное регулирование скорости вращения ротора электродвигателя,

– плавный пуск электродвигателя,

– высокая жесткость механических характеристик одновременно с  экономичностью привода.

ПЧ состоит из выпрямителя, фильтрующего звена, инвертора и системы управления (СУ). Цепь выпрямителя преобразует переменное напряжение в постоянное пульсирующее с помощью диодного мостового выпрямителя. Фильтрующее звено сглаживают пульсации выпрямленного напряжения. На вход инвертора с выхода фильтрующего звена поступает постоянное напряжение, которое инвертор преобразует в трехфазное переменное.  Наиболее часто схема силовой части инвертора выполнена как трехфазная мостовая схема, которая состоит из шести IGBT транзисторов, обладающих двухсторонней проводимостью.  Регулирование выходной частоты осуществляется воздействием сигналами управления СУ на инвертор. В СУ инвертора задающий сигнал преобразуется в серию импульсов, подаваемых на IGBT транзисторы инвертора, тем самым обеспечивая возможность регулировки амплитуды выходного напряжения и частоты. Выходное переменное напряжение определяется значением выпрямительного напряжения.

В большинстве случаев используют статические преобразователи частоты с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ) [2, 3]. Эффективность современных ПЧ составляет около 95 %. Использование ШИМ вносит дополнительные гармонические компоненты, наличие которых отрицательно сказывается на производительности и эффективности электродвигателя. Таким образом, ПЧ влияет на характеристики АД и создает помехи в питающей сети. Вследствие этого коэффициент полезного действия (КПД) АД подключенного к ПЧ снижается [4 – 6]. Наличие гармоник главным образом увеличивает электрические потери в меди. Увеличение потерь приведет к увеличению температуры двигателя и как следствие уменьшает его КПД.

В связи с вышеизложенным исследование КПД асинхронного двигателя подключенного к ПЧ является актуальной задачей.

Теоретическая часть

В программе Simulink пакета Matlab была разработана имитационная модель для расчета электрических параметров рис.1. Модель позволяет определить среднеквадратичное значение тока I_RMS, напряжения U_RMS, подводимую мощность P_вх, отдаваемую мощность P_вых, реактивную мощность Q, cosφ и КПД асинхронного двигателя [7 – 10]. Чтобы обеспечить работу имитационной модели необходимо с помощью АЦП получить данные фазного напряжения и тока, а также напряжения на нагрузке и передать их в модель в виде числовых массивов. Далее произойдет обработка сигналов по амплитуде.

Рис. 1 – Имитационная модель

В блоках 1, 2 представленной модели формируются, и масштабируется с учетом коэффициентов трансформации датчиков, действующее значение напряжения и тока. Блоками RMS вычисляется истинное среднеквадратичное значение входного сигнала

,                                                                               (1)

где  – сигнал, поступающий на вход блока, T – период,  – основная частота.

Истинное среднеквадратичное значение входного сигнала вычисляется по алгоритму скользящего среднего, который находит широкое применение в обработке сигналов и статистике. Далее блоком Power определяется активная, реактивная мощность и cosφ. Измеряемая мощность распределена во всех фазах заведомо равномерно. Потребляемая АД мощность определяется следующим образом

                                                                      (2)

В блоке 3 производится расчет полезной мощности.

 

Экспериментальная часть

На экспериментальной установке (рис. 2) определение КПД асинхронного двигателя производилось в соответствие с ГОСТ 25941-83. Использован метод взаимной нагрузки, при котором две машины механически соединяются друг с другом. Машина М1 работает в режиме двигателя (АД) от трехфазного источника, машина М2 – в режиме генератора (генератор постоянного тока (ГПТ)) на реостат. Мощность на валу М1 определяется по выражению

                                                                     (3)

где  - мощность, идущая на потери в обмотках якорной цепи нагрузочной машины ( = 9.8 Ом); - механические потери агрегата М1-М2; U, I – напряжение и ток на нагрузке R_н. Так как скорость вращения ротора в  ходе экспериментов одинакова, то механическими потерями  пренебрегаем.

Рис. 2 – Схема установки для проведения эксперимента

Измерения фазных токов и напряжений осуществлялись с помощью датчиков на эффекте Холла.  Датчики обеспечивают гальваническую развязку между выходными и входными цепями. С выхода датчиков ДН1-ДН3 снимались сигналы трех фаз мгновенных фазных значений напряжения, с выхода датчиков ДТ1-ДТ3 мгновенные значения тока. Датчик ДН снимал напряжение на нагрузке R_н.

Для проведения эксперимента выбран АД с короткозамкнутым ротором марки 4АА50В4У3, параметры которого приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Технические данные АД

Тип двигателя	Мощность, кВт	При номинальной нагрузке			mп	mM	mк	iп
		Скольжение, %	КПД, %	cosφ
4АА50В4У3	0,09	8,6	55	0,60	2,0	1,7	2,2	2,5

В первой части эксперимента АД подключался к ПЧ, испытания проводились с фиксированной частотой 50Гц, среднеквадратичное фазное напряжение составило 191,2В. Во второй части эксперимента АД подключался к трехфазному регулируемому источнику с выходным синусоидальным напряжением и коэффициентом гармонических искажений менее 5%. Среднеквадратичное фазное напряжение составило 189,5В с частотой 50Гц. На (рис. 3а, б) представлены среднеквадратичные значения фазных токов и напряжений.

Рис. 3 –  Среднеквадратичные значения фазных и напряжений (а), среднеквадратичные значения фазных и токов (б),

При этом мгновенные значения напряжения и тока, поступающие на вход модели, проиллюстрированы на (рис. 4а, б).

Рис. 4 – Мгновенные значения фазного тока и напряжения при подключении трехфазного синусоидального источника напряжения (а), мгновенные значения фазного тока и напряжения при подключении преобразователя частоты (б)

 

На (рис. 5а, б) представлены зависимости входной P_вх и выходной P_вых мощности для случая с входным синусоидальным напряжением и с напряжением генерируемым ПЧ.

Рис. 5 – Входная мощность P_вх (а), выходная мощность P_вых (б)

 

Из (рис. 5а) видно, что входная мощность при использовании ПЧ является не постоянной, максимальное значение находится на уровне . Мощность при питании синусоидальным напряжением является постоянной и составляет .  При этом полезная мощность в обоих случаях  (рис. 5б). На (рис. 6а, б) представлены зависимости КПД АД и cosφ. Из рисунка (рис.6а) видно, что минимальное значение КПД при использовании ПЧ , в то время как КПД АД работающего от синусоидального напряжения .

Рис. 6 –  Коэффициент полезного действия (а), cosφ (б)

 

Заключение

Выводы, сделанные на основании результатов экспериментов и разработанной имитационной модели:

- АД, подключенный к ПЧ, имеет эффективность на 3-7% меньше, чем при питании чистым синусоидальным напряжением. Увеличением потерь связано появлением высших гармоник;

- При работе АД от ПЧ, необходимо оценивать эффективность не только системы в целом, но и электродвигателя;

- Чтобы определить более точно значения потребляемой мощности, необходимо использовать истинное определение действующего значения.

Список литературы / References

1. Браславский И. Я., Ишматов З. Ш., Поляков В. Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод // М.: Академия. – 2004. – Т. 256. – 202 c.
2. Федоров В. К., Федянин В. В. Алгоритм формирования широтно-импульсной модуляции с несущей частотой в режиме детерминированного хаоса //Омский научный вестник. – 2017. – №. 2 (152). – C. 45 – 49.
3. Обухов С. Г., Чаплыгин Е. Е., Кондратьев Д. Е. Широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения //Электричество. – 2008. – №. – С. 23-31.
4. Андриенко В. М. Определение энергетических показателей асинхронных двигателей при питании от статических преобразователей частоты // Электротехника и электромеханика. – 2010. – №. 3. – C. 5 – 7.
5. Михеев К. Е., Томасов В. С. Анализ энергетических показателей многоуровневых полупроводниковых преобразователей систем электропривода // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2012. – №. 1 (77). – C. 46 – 52.
6. Боярская Н. П., Довгун В. П. Влияние гармонического состава токов и напряжений на эффективность энергосбережения //Вестник Красноярского государственного аграрного университета. – 2010. – №. – C. 130 – 133.
7. Квашнин В. О., Ткаченко Б. И. Методика косвенного определения динамического коэффициента мощности асинхронного электродвигателя //Электромашиностроение и электрооборудование. – 2006. – №. – С. 230-231.
8. Захаренко В. С., Дорощенко И. В. Особенности иммитационного моделирования асинхронного двигателя для составления модели с учетом коммутации и при несимметричных схемах включения //Вестник Гомельского государственного технического университета им. ПО Сухого. – 2011. – №. 3 (46). – C. 58 – 63.
9. Козлов Д. В., Змиева K. A., Шумихина Е. М. Экспериментальная установка для исследования характеристик двигателя при различных нагрузках и питающих напряжениях ЭП-1 //Электротехнические комплексы и системы управления. – 2011. – №. – С. 12-18.
10. Петренко А. Н. Экспериментальное исследование нагрева частотно-управляемого асинхронного двигателя при различных источниках питания //Электротехника и электромеханика. – 2010. – №. – C. 21 – 23.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Braslavskij I. Ja., Ishmatov Z. Sh., Poljakov V. N. Jenergosberegajushhij asinhronnyj jelektroprivod [Energy saving asynchronous electric drive]/ I. Ja. Braslavskij, Z. Sh. Ishmatov, V. N. Poljakov // M.: Akademija. – 2004. – V. 256. – 202 p. [in Russian]
2. Fedorov V. K., Fedjanin V. V. Algoritm formirovanija shirotno-impul'snoj moduljacii s nesushhej chastotoj v rezhime determinirovannogo haosa [Algorithm for the formation of pulse width modulation with a carrier frequency mode deterministic chaos] / Fedorov V. K., Fedjanin V. V. //Omskij nauchnyj vestnik [Omsk Scientific Bulletin]. – 2017. – №. 2 (152). – P. 45 – 49. [in Russian]
3. Obuhov S. G., Chaplygin E. E., Kondrat'ev D. E. Shirotno-impul'snaja moduljacija v trehfaznyh invertorah naprjazhenija [Pulse width modulation in three-phase voltage inverters] / Obuhov S. G., Chaplygin E. E., Kondrat'ev D. E. // Jelektrichestvo [Electricity]. – 2008. – №. 7. – P. 23-31. [in Russian]
4. Andrienko V. M. Opredelenie jenergeticheskih pokazatelej asinhronnyh dvigatelej pri pitanii ot staticheskih preobrazovatelej chastity [The definition of the energy performance of induction motors when powered by static frequency converters] / V. M. Andrienko // Jelektrotehnika i jelektromehanika [Electrical engineering]. – 2010. – №. 3. – P. 5 – 7. [in Russian]
5. Miheev K. E., Tomasov V. S. Analiz jenergeticheskih pokazatelej mnogourovnevyh poluprovodnikovyh preobrazovatelej sistem jelektroprivoda [Analysis of the energy performance of multilevel semiconductor converters of electric drive systems] / K. E. Miheev, V.S. Tomasov // Nauchno-tehnicheskij vestnik informacionnyh tehnologij, mehaniki i optiki [Scientific and technical journal of information technologies, mechanics and optics]. – 2012. – №. 1 (77). – P. 46 – 52. [in Russian]
6. Bojarskaja N. P., Dovgun V. P. Vlijanie garmonicheskogo sostava tokov i naprjazhenij na jeffektivnost' jenergosberezhenija [Influence of the harmonic composition of currents and voltages on the efficiency of energy saving] / Bojarskaja N. P., Dovgun V. P. // Vestnik Krasnojarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [The Bulletin of Krasnoyarsk State Agrarian University]. – 2010. – №. 4. – P. 130 – 133. [in Russian]
7. Kvashnin V. O., Tkachenko B. I. Metodika kosvennogo opredelenija dinamicheskogo kojefficienta moshhnosti asinhronnogo jelektrodvigatelja [Technique of indirect determination of the dynamic power factor of an induction motor // Electrical Engineering and Electrical Equipment] / Kvashnin V. O., Tkachenko B. I. //Jelektromashinostroenie i jelektrooborudovanie [Electrical machinery and electrical equipment]. – 2006. – №. 66. – P. 230-231. [in Russian]
8. Zaharenko V. S., Doroshhenko I. V. Osobennosti immitacionnogo modelirovanija asinhronnogo dvigatelja dlja sostavlenija modeli s uchetom kommutacii i pri nesimmetrichnyh shemah vkljuchenija [Features of the simulation simulation of an asynchronous motor for compiling a model with commutation taking into account and with asymmetric switching circuits] / Zaharenko V. S., Doroshhenko I. V. //Vestnik Gomel'skogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. PO Suhogo [Bulletin of the Gomel State Technical University]. – 2011. – №. 3 (46). – P. 58 – 63. [in Belorussia]
9. Kozlov D. V., Zmieva K. A., Shumihina E. M. Jeksperimental'naja ustanovka dlja issledovanija harakteristik dvigatelja pri razlichnyh nagruzkah i pitajushhih naprjazhenijah JeP-1[Experimental setup for studying the characteristics of the engine under various loads and supply voltages of EP-1] / Kozlov D. V., Zmieva K. A., Shumihina E. M. // Jelektrotehnicheskie kompleksy i sistemy upravlenija [Electrotechnical complexes and control systems]. – 2011. – №. 1. – P. 12-18. [in Russian]
10. Petrenko A. N. Jeksperimental'noe issledovanie nagreva chastotno-upravljaemogo asinhronnogo dvigatelja pri razlichnyh istochnikah pitanija [Experimental study of the heating of a frequency-controlled induction motor with various power supplies] / Petrenko A. N.  // Jelektrotehnika i jelektromehanika [Electrical engineering and electromechanics]. – 2010. – №. 5. – P. 21 – 23. [in Russian]